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美國利用石墨烯傳感器技術探索腦結構與功能

提示:美國國防先期研究計劃局(DARPA)資助的可靠神經接口技術(RE-NET)項目使研究人員可以同時利用光學和電子學方法對神經系統進行監測和刺激。
美國利用石墨烯傳感器技術探索腦結構與功能
    圖:以往的金屬電極(左上圖)是不透明的,阻礙了對底層神經組織的觀測。 DARPA的RE-NET項目開發的石墨烯傳感器是導電的,且隻有4個原子厚,比目前的接口傳感器(上中圖)薄數百倍。由于厚度極小,在較寬的波長範圍内都具有很強的透光性。新的設備将石墨烯附着在柔性的塑料(聚對二甲苯)襯裡上,使其貼合組織的形狀(下圖)。該傳感器是概念驗證的工具,可通過小型透明接口傳感器利用電/光方法對神經組織進行觀測和刺激(右上圖)。
    [據DARPA官方網站2014年10月20日報道]了解大腦解剖結構和功能是神經科學的長期研究目标,也是美國總統奧巴馬“腦科學計劃”的重中之重。基于電子學的監測和神經信号刺激是研究腦功能的支柱技術,而新興的光學技術可以利用光子取代電子對神經網絡結構進行可視化,從而為探索大腦功能提供新機遇。如果能将電子學與光學技術協同使用,兩者優勢互補,可以獲得更清晰、分辨率更高的腦結構圖像。然而,要将這兩者結合具有挑戰性,因為常規的金屬電極厚度太大(大于500納米),難以透光,這使得電子學成像方法與許多光學方法不相容。
    為了克服這些挑戰,美國國防先期研究計劃局(DARPA)創造性地提出了小型化、透明接觸、電光結合的概念驗證方法。在DARPA可靠神經接口技術(RE-NET)項目的支持下,美國威斯康辛大學麥迪遜分校的研究人員開發了新的腦結構研究技術,相關的細節發表在《自然·通信》期刊上。
    DARPA項目經理道格·韋伯稱,這項技術表明對大腦中神經網絡活動進行可視化和量化具有重大的突破潛力。利用該技術,可以在大範圍快速觀測神經網絡的活動,前所未有地深入了解大腦結構和功能,更重要的是,可以了解大腦各結構的關系,以及這些關系如何随着時間推移或因傷病而發生變化。
    新的設備将石墨烯附着在柔性的塑料襯裡上,使其貼合組織的形狀。石墨烯傳感器具有導電性,但僅有4個原子的厚度,其厚度小于1納米,比目前的接口傳感器厚度小數百倍。由于厚度極小,在較寬的波長範圍内都具有很強的透光性。而且,石墨烯對生物系統無毒性,明顯不同于以前厚度很大、難以制造且可能具有毒性的傳感器合金材料。
   這項技術結合了三個領域的前沿技術:石墨烯技術,這項技術使研究者獲得了2010年的諾貝爾物理學獎;超分辨率熒光顯微鏡,其研究人員獲得了2014年諾貝爾化學獎;光遺傳學,這涉及細胞遺傳修飾創建特定的光反應性蛋白質。
    RE-NET項目旨在開發了解和克服神經接口失效機理的新工具和技術。DARPA希望推動下一代神經技術來揭示神經網絡和功能之間的關系。RE-NET計劃和DARPA在該研究領域的後續項目希望通過利用新工具來測量電/光脈沖刺激下的神經元的物理運動和反應。因此,這項技術不僅可以提供更好的觀察神經系統自身機能的機會,而且可以通過對刺激和反射回路進行精心調制,探索神經信号和大腦之間的因果關系。這對于研究人員了解大腦、治療腦部傷病具有重大的促進作用。
    DARPA為響應奧巴馬政府的腦科學計劃啟動了一批旨在提到對大腦動态和機制的了解、推進相關技術應用的項目。除RE-NET項目之外,其他項目還包括革命性假肢、恢複編碼存儲器集成神經裝置、重組和可塑性加速傷勢恢複、提高抗壓等。DARPA還在研制用于神經科學研究和治療的傳感器(如手本體感覺和觸摸界面、電子處方),以及将模拟大腦用于複雜信号處理和數據分析領域。(中國船舶工業綜合技術經濟研究院  丁宏)

(原标題:美國利用石墨烯傳感器技術探索腦結構與功能)

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